Pracownia chemiczna z dydaktyki chemii. Doświadczenia chemiczne dla szkół ponadgimnazjalnych

Pełen tekst

(1)Andrzej Burewicz Piotr Jagodziński. PRACOWNIA CHEMICZNA Z DYDAKTYKI CHEMII DOŚWIADCZENIA CHEMICZNE DLA SZKÓŁ PONADGIMNAZJALNYCH. Zakład Dydaktyki Chemii UAM Poznań 2004.

(2) Andrzej Burewicz, Piotr Jagodziński. Pracownia chemiczna z dydaktyki chemii. Doświadczenia chemiczne dla szkół ponadgimnazjalnych. Zakład Dydaktyki Chemii UAM Poznań 2004.

(3) Andrzej Burewicz Piotr Jagodziński. Pracownia chemiczna z dydaktyki chemii Doświadczenia chemiczne dla szkół ponadgimnazjalnych Recenzenci: Prof. dr hab. Stefan Lis Prof. dr hab. Józef Skrzypczak. Projekt okładki: Piotr Jagodziński Robert Wolski Rycina na okładce skryptu pochodzi z książki: Technik der anorganischen Experimentalchemie Autorstwa Rudolfa Arendta, Hamburg und Leipzig 1910. Opracowanie komputerowe: Robert Wolski. Zakład Dydaktyki Chemii UAM Poznań 2004. ISBN 83-89723-06-9.

(4) Wstęp. Skrypt ten adresujemy do studentów realizujących ćwiczenia laboratoryjne z dydaktyki chemii w trybie studiów dziennych i nauczycieli dokształcających się w ramach studiów podyplomowych. Został on podzielony na dwie części. W części pierwszej zawarty jest materiał teoretyczny dotyczący opisu eksperymentów chemicznych pod kątem ich typów, rodzajów, funkcji jakie pełnią w procesie edukacyjnym oraz różnych możliwości ich stosowania na lekcjach przez nauczyciela. Ta część skryptu zawiera wykaz sprzętu i odczynników niezbędnych do wykonania większości eksperymentów w liceum, zgodnych z założeniami podstawy programowej. Ponieważ eksperymenty opisane w tej pracy dotyczą zagadnień chemii nieorganicznej jak i chemii organicznej, podano tu również obowiązujące zasady nazewnictwa związków chemicznych nieorganicznych i organicznych poparte odpowiednimi przykładami. Ponieważ praca laboratoryjna wymaga od eksperymentatora znajomości zasad bezpiecznego postępowania podczas przebywania w pracowni, a także odpowiedzialnego zachowania się podczas zagrożenia lub wypadku, opisano zasady bezpieczeństwa i higieny.

(5) pracy podczas wykonywania doświadczeń chemicznych w laboratorium, a także zasady niesienia pierwszej pomocy w nagłych przypadkach. Podano również obowiązujące oznakowania substancji chemicznych zgodne z zaleceniami Unii Europejskiej. W dalszej części skryptu zawarte są wiadomości dotyczące podstawowego sprzętu i szkła laboratoryjnego wraz z zasadami właściwego postępowania podczas wykonywania podstawowych czynności laboratoryjnych oraz opisy eksperymentów chemicznych, pogrupowanych w dziesięciu działach tematycznych. Ta część skryptu ma charakter zeszytu ćwiczeń, w którym pozostawiono wolne miejsca umożliwiające samodzielną pracę użytkownikom skryptu - eksperymentatorom. W tym przypadku praca polegać będzie na samodzielnym opracowaniu schematów aparatury stosowanej w wybranych doświadczeniach oraz udzieleniu odpowiedzi na pytania znajdujące się pod każdym opisanym eksperymentem i sformułowaniu wniosków z nich płynących. Autorzy.

(6) Spis treści 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii ........................................................ 1 1.1. Rola eksperymentów na lekcjach chemii ................................................ 1 1.2. Rodzaje doświadczeń chemicznych i ich funkcje ................................... 8 1.3. Charakterystyka zabiegów dydaktycznych prowadzących do rozwiązywania zadań problemowych za pomocą eksperymentu .......... 15 1.3.1. Funkcje eksperymentu w procesie rozwiązywania zadań problemowych.................................................................................... 15 1.4. Schemat eksperymentalnego rozwiązywania zadań problemowych ......... 17 1.4.1. Eksperyment i metoda eksperymentalna w rozwiązywaniu problemów ......................................................................................... 18 1.4.2. Jak upodobnić proces dydaktyczny w chemii do badania naukowego ? ...................................................................................... 20 1.4.3. Lekcje chemii w systemie problemowym .......................................... 23 1.4.4. Czego oczekujemy od doświadczenia laboratoryjnego ? ................... 23 1.4.5. Przewidywanie, a doświadczenie laboratoryjne................................. 25 1.4.6. Struktury problemowych zadań laboratoryjnych z chemii................. 26 2. Zasady bezpieczeństwa i higieny pracy w laboratorium chemicznym ............................................................................................ 28 2.1. Oznaczenia odczynników chemicznych ze względu na niebezpieczeństwo............................................................................ 31 2.1.1. Symbole zagrożeń określające rodzaje niebezpiecznych materiałów (piktogramy w kolorze żółto-pomarańczowym) .................................... 31 2.2. Informacje o rodzaju niebezpieczeństwa (zagrożenia).......................... 34 2.2.1. Kombinacje symboli i opisów............................................................ 36 2.3. Wybrane porady związane z bezpieczeństwem w pracowni chemicznej ............................................................................................ 40 2.3.1. Kombinacje symboli i opisów dotyczących porad bezpieczeństwa .................................................................................. 42.

(7) 3. Podstawowe odczynniki i sprzęt laboratoryjny niezbędny do wykonania eksperymentów zgodnych z podstawą programową liceum profilowanego ...................................................................................... 44 3.1. Odczynniki chemiczne .......................................................................... 44 3.2. Laboratoryjny sprzęt szklany................................................................. 47 4. Bezpieczeństwo pracy w laboratorium chemicznym........................... 49 4.1. Odzież ochronna w laboratorium........................................................... 49 4.2. Przeciwdziałanie powstawaniu ładunków elektrostatycznych w laboratorium chemicznym..................................................................... 49 4.3. Przenoszenie narażonych na rozbicie naczyń z odczynnikami chemicznymi ......................................................................................... 50 4.4. Ogrzewanie............................................................................................ 50 4.5. Chłodzenie ............................................................................................. 51 4.6. Destylacja .............................................................................................. 51 4.7. Ekstrakcja .............................................................................................. 52 4.8. Praca z substancjami wybuchowymi ..................................................... 52 4.9. Praca z rtęcią.......................................................................................... 53 4.10. Bezpieczne przechowywanie odczynników chemicznych ........................53 4.10.1. Odczynniki wrażliwe na wilgoć ....................................................... 53 4.10.2. Odczynniki ulegające utlenieniu....................................................... 54 4.10.3. Odczynniki wrażliwe na zanieczyszczenia powietrza w laboratorium ................................................................................. 54 4.10.4. Odczynniki wrażliwe na polimeryzację............................................ 54 4.10.5. Odczynniki wrażliwe na temperaturę ............................................... 55 4.10.6. Sole zawierające wodę krystalizacyjną ............................................ 55 4.10.7. Odczynniki łatwo tworzące dymy (opary)........................................ 55 5. Składowanie i utylizacja odpadów laboratoryjnych ........................... 56 5.1. Magazynowanie odpadów chemicznych ............................................... 56 5.2. Neutralizacja i utylizacja odpadów chemicznych.................................. 57 6. Wypadki najczęściej zdarzające się w laboratorium chemicznym .... 63 6.1. Pęknięcie naczynia zawierającego substancje chemiczne ..................... 63.

(8) 6.2. Rozlanie rtęci......................................................................................... 63 6.3. Pożar...................................................................................................... 64 7. Toksyczne pierwiastki oraz związki chemiczne................................... 65 7.1. Arsen ..................................................................................................... 65 7.2. Chrom.................................................................................................... 65 7.3. Cyna ...................................................................................................... 66 7.4. Kadm ..................................................................................................... 66 7.5. Kobalt .................................................................................................... 66 7.6. Mangan.................................................................................................. 66 7.7. Ołów i jego związki............................................................................... 67 7.8. Rtęć........................................................................................................ 67 7.9. Kwas azotowy(V).................................................................................. 67 7.10. Siarkowodór ........................................................................................ 68 7.11. Chlor.................................................................................................... 68 7.12. Brom.................................................................................................... 68 7.13. Bromocyjan ......................................................................................... 68 8. Sposoby zachowania się w laboratorium chemicznym w nagłych, niepożądanych wypadkach ................................................................ 69 8.1. Pożar...................................................................................................... 69 8.2. Porażenia prądem elektrycznym ........................................................... 70 8.3. Oparzenia .............................................................................................. 71 8.3.1. Oparzenia suche ................................................................................. 71 8.3.2. Oparzenia stężonymi kwasami ........................................................... 71 8.3.3. Oparzenia stężonymi zasadami .......................................................... 71 8.3.4. Oparzenia stopionym sodem .............................................................. 71 8.3.5. Oparzenia białym fosforem ................................................................ 72 8.3.6. Oparzenia bromem ............................................................................. 72 8.3.7. Oparzenia fenolem i jego pochodnymi............................................... 72 8.3.8. Kontakt innych niebezpiecznych substancji ze skórą ........................ 72 8.3.9. Kontakt niebezpiecznej substancji z okiem........................................ 72.

(9) 9. Zatrucia ...................................................................................................73 9.1. Zatrucie gazem ......................................................................................73 9.2. Zatrucie tlenkiem węgla(II) (czadem) ...................................................73 9.3. Zatrucie tlenkami azotu .........................................................................73 9.4. Zatrucie żrącymi gazami .......................................................................73 9.5. Połknięcie niepożądanej substancji chemicznej ....................................74 9.6. Zatrucie kwasami...................................................................................74 9.7. Zatrucie silnymi zasadami .....................................................................74 9.8. Zatrucia aniliną i jej pochodnymi ..........................................................74 9.9. Zatrucia solami baru ..............................................................................75 9.10. Zatrucie bromem..................................................................................75 9.11. Zatrucie fenolem..................................................................................75 9.12. Zatrucia rtęcią ......................................................................................75 9.13. Zatrucia parami węglowodorów aromatycznych.................................76 10. Wyposażenie podręcznej apteczki w laboratorium chemicznym.....77 10.1. Środki opatrunkowe.............................................................................77 10.2. Drobny sprzęt ......................................................................................77 10.3. Roztwory .............................................................................................77 10.4. Leki oraz inne środki pomocnicze .......................................................77 11. Podstawowe zasady nomenklatury związków chemicznych .............78 11.1. Nazwy i symbole pierwiastków...........................................................78 11.2. Przedrostki zwielokrotniające i przedrostki strukturalne w nazwach związków chemicznych ........................................................................79 12. Nazwy systematyczne związków chemicznych...................................80 12.1. Nazewnictwo tlenków w systemie Stocka...........................................81 12.2. Nazewnictwo anionów ........................................................................81 13. Nazewnictwo kwasów ...........................................................................82 14. Nazewnictwo wodorotlenków ..............................................................84 14.1. Tworzenie nazw systematycznych wodorotlenków ............................ 84.

(10) 15. Nazewnictwo soli .................................................................................. 85 15.1. Nazewnictwo soli beztlenowych ......................................................... 85 15.2. Nazewnictwo soli w systemie Stocka.................................................. 85 15.3. Nazewnictwo soli zawierających anion oksokwasu - sole tlenowe........ 85 15.4. Wodorosole ......................................................................................... 86 15.5. Hydroksosole....................................................................................... 86 15.6. Oksosole .............................................................................................. 86 15.7. Sole podwójne ..................................................................................... 87 16. Podwójne wodorotlenki i tlenki........................................................... 88 17. Podwójne tlenki .................................................................................... 89 18. Wodorki................................................................................................. 90 18.1. Nazewnictwo wodorków..................................................................... 90 19. Związki koordynacyjne........................................................................ 91 19.1. Skład chemiczny kompleksów ............................................................ 91 19.2. Klasyfikacja związków kompleksowych ............................................ 92 19.3. Nazwy ligandów.................................................................................. 92 19.3.1. Nazewnictwo ligandów anionowych................................................ 92 19.3.2. Nazewnictwo ligandów obojętnych ................................................. 93 19.4. Sposób zapisu związków koordynacyjnych ........................................ 93 19.4.1. Związki koordynycyjne zawierające anion kompleksowy ....................... 93 19.4.2. Związki koordynacyjne zawierające kation kompleksowy....................... 93 19.4.3. Nazewnictwo związków koordynacyjnych wg systemu Stocka ...... 94 19.4.4. Nazewnictwo kompleksów dwu - i wielordzeniowych.................... 94 20. Przykłady nazewnictwa wybranych grup związków organicznych......................................................................................... 96 20.1. Alkany, czyli nasycone węglowodory o budowie łańcuchowej.......... 96 20.2. Nazewnictwo alkanów ........................................................................ 97 21. Nienasycone węglowodory łańcuchowe ............................................ 102 21.1. Węglowodory z jednym wiązaniem podwójnym - alkeny ................ 102.

(11) 21.2. Węglowodory z dwoma wiązaniami podwójnymi w cząsteczce – alkadieny ...................................................................... 103 21.3. Węglowodory łańcuchowe zawierające jedno wiązanie potrójne – alkiny................................................................................ 104 22. Monocykliczne węglowodory aromatyczne – areny ........................ 105 23. Zasady tworzenia nazw związków organicznych z grupami funkcyjnymi......................................................................................... 108 24. Fluorowcopochodne............................................................................ 109 25. Aminy................................................................................................... 111 25.1. Nazewnictwo amin pierwszorzędowych ........................................... 111 25.2. Diaminy ............................................................................................. 112 25.3. Aminy drugorzędowe ........................................................................ 113 25.4. Aminy trzeciorzędowe....................................................................... 113 26. Alkohole............................................................................................... 115 26.1. Nazewnictwo alkoholi ....................................................................... 115 26.2. Alkohole wielowodorotlenowe i ich nazwy ...................................... 117 26.3. Alkohole nienasycone i ich nazwy .................................................... 118 27. Fenole................................................................................................... 119 27.1. Fenole jednowodorotlenowe.........................................................................119 27.2. Fenole wielowodorotlenowe.............................................................. 120 28. Aldehydy.............................................................................................. 120 29. Ketony.................................................................................................. 122 29.1. Ketony łańcuchowe czyli o podstawnikach łańcuchowych............... 122 30. Kwasy karboksylowe.......................................................................... 123 30.1. Kwasy karboksylowe łańcuchowe..................................................... 123 30.1.1. Nasycone kwasy łańcuchowe jednokarboksylowe ......................... 123.

(12) 30.1.2. Nienasycone kwasy łańcuchowe jednokarboksylowe.................... 124 31. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii w liceum..................................... 125 31.1. Sprzęt laboratoryjny oraz podstawowe czynności w pracach eksperymentatorskich........................................................................ 126 31.2. Podstawowe czynności podczas wykonywania prac laboratoryjnych ................................................................................. 128 32. Ogólne cele nauczania chemii w liceum............................................ 143 32.1. Ocenianie uczniów ............................................................................ 143 33. Opisy eksperymentów chemicznych ................................................. 145 33.1. Dział 1. Podstawy chemii ................................................................ 145 33.1.1. Spalanie magnezu w powietrzu i w tlenie ...................................... 147 33.1.2. Synteza siarczku żelaza(II)............................................................. 149 33.1.3. Rozkład termiczny zasadowego węglanu miedzi(II) ..................... 151 33.1.4. Rozkład zasadowego węglanu miedzi(II) z pochłanianiem produktów rozkładu ....................................................................... 152 33.1.5. Rozkład termiczny dichromianu amonu (imitacja wybuchu wulkanu)......................................................................... 153 33.1.6. Powstawanie dymów salmiaku (chlorku amonu)........................... 154 33.1.7. Reakcje węglanów z rozcieńczonymi kwasami ............................. 154 33.1.8. Reakcja tlenku miedzi(II) z kwasem siarkowym(VI), kwasem solnym, azotowym(V) i kwasem octowym ..................... 155 33.1.9. Sporządzanie mieszaniny soli kamiennej, piasku, kredy i opiłków żelaza ............................................................................. 156 33.1.10. Rozdzielanie sporządzonej mieszaniny........................................ 157 33.1.11. Destylacja wody wodociągowej ................................................... 158 33.2. Dział 2. Obliczenia chemiczne ........................................................ 160 33.2.1. Ciepło rozpuszczania...................................................................... 162 33.2.2. Obserwacja efektu Tyndalla........................................................... 163.

(13) 33.2.3. Przygotowanie koloidalnego roztworu wodorotlenku żelaza(III) oraz kalafonii ................................................................ 163 33.2.4. Peptyzacja koloidu odwracalnego .................................................. 165 33.2.5. Otrzymywanie emulsji benzenu w wodzie ..................................... 165 33.2.6. Badanie odczynu różnych roztworów za pomocą wskaźników ..... 166 33.2.7. Oznaczanie pH rozcieńczonych roztworów kwasu i zasady ..... 167 33.2.8. Doświadczalne porównywanie gęstości różnych gazów ............... 168 33.2.9. Określenie zdolności do rozpuszczania się różnych substancji w wodzie w zbliżonych warunkach. Badanie rozpuszczalności różnych substancji w wodzie ................................................................169 33.2.10. Badanie rozpuszczalności jednakowych ilości różnych soli w takiej samej masie wody i temperaturze..........................................169 33.2.11. Badanie rozpuszczalności wybranych substancji w wodzie w różnych temperaturach ............................................................. 170 33.2.12. Strącanie chlorku ołowiu(II) w różnych temperaturach ............... 171 33.2.13. Badanie zmiany objętości w procesie rozpuszczania .................. 171 33.2.14. Krystalizacja siarczanu(VI) sodu.................................................. 172 33.2.15. Wydzielanie kryształów substancji rozpuszczonej z roztworu przesyconego................................................................................ 173 33.2.16. Badanie efektów cieplnych rozpuszczania wodorotlenku sodu i azotanu(V) amonu w wodzie........................................................ 174 33.2.17. Badanie efektów cieplnych rozpuszczania stężonego kwasu siarkowego(VI) i tiosiarczanu(VI) sodu w wodzie ...................... 175 33.2.18. Badanie wpływu stopnia rozdrobnienia substancji stałej na szybkość rozpuszczania w wodzie .......................................... 175 33.3. Dział 3. Reakcje w roztworach wodnych ....................................... 177 33.3.1. Wpływ środowiska reakcji na redukcję anionu manganianowego(VII) MnO4- ........................................................ 179 33.3.2. Reakcje metali z roztworami soli ................................................... 180 33.3.3 Badanie reakcji kwasu solnego z węglanem sodu ........................... 181 33.3.4. Wypieranie amoniaku z soli amonowej.......................................... 182 33.3.5. Badanie właściwości utleniających i redukujących azotanów(III) ..... 183.

(14) 33.3.6. Badanie przebiegu reakcji soli z solą w roztworze ........................ 184 33.3.7. Reakcje stężonego i rozcieńczonego kwasu azotowego(V) z miedzią ........................................................................................ 184 33.3.8. Właściwości stężonego kwasu azotowego(V)................................ 186 33.3.9. Badanie właściwości higroskopijnych stężonego kwasu siarkowego(VI) ................................................................... 187 33.3.10. Utleniające działanie stężonego kwasu siarkowego(VI) .............. 188 33.3.11. Reakcja ksantoproteinowa............................................................ 189 33.3.12. Reakcja charakterystyczna dla jonu azotanowego(V) ................. 189 33.3.13. Działanie stężonego i rozcieńczonego kwasu siarkowego(VI) na żelazo ............................................................ 190 33.3.14. Przewodnictwo elektryczne stężonego i rozcieńczonego kwasu siarkowego(VI)................................................................. 191 33.3.15. Reakcja charakterystyczna jonu siarczanowego(VI) SO42- .......... 192 33.3.16. Reakcje tlenków z kwasami i zasadami ....................................... 193 33.3.17. Badanie odczynu roztworów tlenków przy użyciu wskaźników.. 193 33.3.18. Zobojętnianie kwasu i zasady tlenkami........................................ 194 33.3.19. Reakcja tlenku cynku z kwasem i zasadą..................................... 195 33.3.20. Reakcje zasad litowców z solami miedzi(II), ołowiu(II) i żelaza(III) ................................................................. 169 33.3.21. Badanie innych właściwości wodorotlenków metali.................... 197 33.3.22. Reakcja tlenku fosforu(V) z wodą................................................ 197 33.3.23. Działanie zasady sodowej na chlorek amonu ............................... 198 33.3.24. Strącanie wodorotlenku magnezu................................................. 199 33.3.25. Badanie przepływu prądu przez roztwory wodne różnych substancji........................................................................ 200 33.3.26. Reakcja zobojętniania roztworu kwasu solnego przez roztwory wodorotlenków............................................................. 201 33.3.27. Śledzenie reakcji zobojętniania za pomocą pH-metru ................. 202 33.3.28. Obserwacja zmiany barwy wskaźników syntetycznych i naturalnych. Porównywanie barwy wskaźników w roztworach kwasów i zasad ..................................................... 203 33.3.29. Badanie zachowania się wskaźników wobec roztworów kwasów, zasad i soli.................................................................................... 204.

(15) 33.3.30. Badanie odczynu różnych substancji............................................ 204 33.3.31. Badanie zabarwienia soku z czerwonej kapusty w roztworze kwasu i zasady ............................................................................. 206 33.3.32. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe wobec różnych wskaźników.................................................................................. 206 33.3.33. Sporządzenie wodnych roztworów różnych substancji ............... 207 33.3.34. Różne reakcje strącania pozwalające na otrzymanie nierozpuszczalnych soli ołowiu(II), magnezu, cynku, miedzi(II), żelaza(III) i srebra(I) .................................................. 208 33.4. Dział 4. Właściwości wybranych pierwiastków i ich związków....210 33.4.1. Otrzymywanie tlenu w wyniku termicznego rozkładu chloranu(V) potasu i manganianu(VII) potasu............................... 212 33.4.2. Spalanie różnych substancji w powietrzu. Spalanie metali i niemetali oraz badanie właściwości produktów spalania............. 213 33.4.3. Rozkład nadtlenku wodoru w obecności MnO2 ............................. 215 33.4.4. Otrzymywanie wodoru w reakcji reaktywnego metalu z rozcieńczonym kwasem .............................................................. 215 33.4.5. Wybuchające bańki mydlane.......................................................... 217 33.4.6. Redukcja tlenku miedzi(II) węglem ............................................... 217 33.4.7. Otrzymywanie azotu w wyniku rozkładu roztworu wodnego azotanu(III) amonu ......................................................... 219 33.4.8. Spalanie czerwonego fosforu.......................................................... 220 33.4.9. Wybuch mieszaniny czerwonego fosforu z chloranem(V) potasu...................................................................... 221 33.4.10. Otrzymywanie wolnej siarki w reakcji tiosiarczanu(VI) sodu z kwasem solnym................................................................. 222 33.4.11. Otrzymywanie siarki jednoskośnej............................................... 222 33.4.12. Otrzymywanie chloru w reakcji manganianu(VII) potasu z kwasem solnym.............................................................. 224 33.4.13. Spalanie miedzi w chlorze ............................................................ 224 33.4.14. Badanie właściwości fizycznych bromu i jodu............................. 225 33.4.15. Badanie właściwości fizycznych jodu – sublimacja..................... 226 33.4.16. Otrzymywanie płynu Lugola ........................................................ 227.

(16) 33.4.17. Reakcja sodu i potasu z wodą....................................................... 227 33.4.18. Badanie właściwości fizycznych wodorotlenku sodu lub potasu..................................................................................... 228 33.4.19. Wykrywanie kationów sodu i potasu na podstawie analizy płomieniowej................................................................................ 229 33.4.20. Podwodne spalanie magnezu........................................................ 230 33.4.21. Reakcja wapnia z wodą ................................................................ 231 33.4.22. Reakcja tlenku wapnia z wodą ..................................................... 232 33.4.23. Badanie właściwości fizycznych i chemicznych miedzi.............. 232 33.4.24. Reakcja miedzi ze stężonymi kwasami : azotowym(V) i siarkowym(VI)........................................................................... 233 33.4.25. Reakcja miedzi z roztworem azotanu(V) srebra........................... 234 33.4.26. Otrzymywanie chlorku srebra i badanie jego właściwości .......... 235 33.4.27. Badanie zawartości wody krystalizacyjnej w siarczanie(Vl) miedzi(II).......................................................... 236 33.5. Dział 5. Atomy i cząsteczki ............................................................. 237 33.5.1. Badanie różnic w reaktywności sodu i potasu - zmiany reaktywności pierwiastków w grupach .......................................... 239 33.5.2. Badanie różnic w reaktywności magnezu i wapnia - zmiany reaktywności w grupach................................................................. 239 33.5.3. Porównanie reaktywności chloru, bromu i jodu............................ 240 33.5.4. Właściwości chemiczne chloru, bromu i jodu................................ 241 33.5.5. Zachowanie się miedzi wobec chloru i siarki................................. 242 33.6. Dział 6. Mechanizmy reakcji chemicznych ................................... 244 33.6.1. Badanie efektu cieplnego reakcji spalania sodu w tlenie ............... 246 33.6.2. Badanie wpływu temperatury na szybkość reakcji jodku potasu z kwasem azotowym(V) ..................................................... 246 33.6.3. Badanie zależności szybkości reakcji od stężenia reagentów na przykładzie szybkości wydzielania się siarki z roztworu tiosiarczanu(VI) sodu..................................................................... 247 33.6.4. Reakcje cynku z kwasem solnym o różnych stężeniach ................ 249.

(17) 33.6.5. Porównywanie szybkości reakcji kwasu solnego z cynkiem i żelazem ........................................................................................ 249 33.6.6. Badanie wpływu temperatury na szybkość reakcji kwasu solnego z żelazem .......................................................................... 250 33.6.7. Badanie wpływu stężenia kwasu solnego na przebieg jego reakcji z cynkiem ........................................................................... 251 33.6.8. Porównywanie szybkości reakcji kwasu solnego z cynkiem o różnym stopniu rozdrobnienia..................................................... 252 33.6.9. Badanie wpływu katalizatora w postaci soli miedzi(II), na szybkość reakcji cynku z kwasem solnym ................................ 253 33.6.10. Rozkład nadtlenku wodoru przy udziale tlenku manganu(lV) ..... 254 33.7. Dział 7. Chemia wokół nas .............................................................. 256 33.7.1. Badanie właściwości octanu celulozy ............................................ 257 33.7.2. Badanie właściwości poliestrów i poliamidów............................... 258 33.7.3. Otrzymywanie żywicy fenolowo-formaldehydowej ...................... 258 33.7.4. Otrzymywanie żywicy mocznikowo-formaldehydowej................. 259 33.7.5. Badanie właściwości wybranych tworzyw sztucznych .................. 260 33.7.6. Depolimeryzacja poli(metakrylanu metylu) - "szkła organicznego" i polimeryzacja otrzymanego monomeru............... 261 33.7.7. Tradycyjny wyrób mydła................................................................ 262 33.7.8. Badanie mechanizmu działania mydła na przykładzie mieszaniny wody z olejem w obecności mydła ............................. 262. 33.7.9. Badanie wpływu soli wapnia rozpuszczanych w wodzie na pienienie się roztworów mydła i detergentów syntetycznych ... 263 33.7.10. Laboratoryjne badanie efektu cieplarnianego................................. 264 33.8. Dział. 8 Podstawy chemii organicznej............................................ 266 33.8.1. Badanie zachowania się benzenu wobec wody bromowej i roztworu manganianu(VIl) potasu ............................................... 268 33.8.2. Badanie zachowania się benzenu i ciekłego alkanu wobec bromu ...................................................................... 268.

(18) 33.8.3. Badanie zachowania się benzenu i ciekłego alkanu wobec mieszaniny stężonego kwasu azotowego(V) i stężonego kwasu siarkowego(VI) .............................................................................. 270 33.8.4. Reakcja stężonego kwasu siarkowego(VI) z substancjami organicznymi - reakcja z sacharozą ............................................... 270 33.8.5. Otrzymywanie etenu przez odwodnienie alkoholu etylowego za pomocą stężonego kwasu siarkowego(VI) ................................. 271 33.8.6. Różne sposoby otrzymywania metanu. Otrzymywanie metanu z octanu sodu ................................................................................. 273 33.8.7. Spalanie metanu i wykrywanie produktów reakcji ........................ 275 33.8.8. Badanie temperatury zapłonu różnych alkanów............................. 276 33.8.9. Badanie zachowania się alkanów wobec wody bromowej............. 276 33.8.10. Badanie reakcji metanu i heksanu z bromem w ciemności i na świetle ................................................................................... 277 33.8.11. Otrzymywanie etenu i badanie jego właściwości fizycznych ...... 278 33.8.12. Badanie palności etenu................................................................. 279 33.8.13. Zachowanie się etenu wobec roztworu manganianu(VII) potasu i wody bromowej.............................................................. 279 33.8.14. Otrzymywanie etynu (acetylenu) z węgliku wapnia .................... 280 33.8.15. Badanie palności etynu (acetylenu).............................................. 281 33.8.16. Reakcja etynu z wodą bromową i manganianem(VII) potasu...... 282 33.8.17. Badanie właściwości fizycznych benzenu.................................... 282 33.8.18. Zachowanie się benzenu wobec wody bromowej ........................ 284 33.8.19. Badanie właściwości toluenu ....................................................... 284 33.9. Dział. 9 Jednofunkcyjne pochodne węglowodorów ...................... 286 33.9.1. Badanie właściwości fizycznych metyloaminy i aniliny................ 288 33.9.2. Badanie reakcji aniliny z kwasem solnym ..................................... 288 33.9.3. Badanie właściwości mocznika...................................................... 289 33.9.4. Badanie właściwości kwasu aminooctowego................................. 290 33.9.5. Badanie właściwości glikolu etylenowego i glicerolu ................... 291 33.9.6. Badanie właściwości fizycznych fenolu......................................... 292 33.9.7. Badanie właściwości kwasowych fenolu ....................................... 293 33.9.8. Badanie reakcji fenolu z wodą bromową ....................................... 293.

(19) 33.9.9. Badanie reakcji fenolu z wodnym roztworem chlorku żelaza(III) ....................................................................................... 294 33.9.10. Reakcja aldehydu mrówkowego z amoniakalnym roztworem tlenku srebra(I) - próba Tollensa................................ 295 33.9.11. Reakcja aldehydu mrówkowego z wodorotlenkiem miedzi(II) w środowisku zasadowym - próba Trommera ............ 296 33.9.12. Badanie reakcji metanolu z tlenkiem miedzi(II)........................... 297 33.9.13. Badanie właściwości acetonu ....................................................... 297 33.9.14. Badanie właściwości kwasu mrówkowego................................... 298 33.9.15. Badanie właściwości kwasu octowego ......................................... 299 33.9.16. Badanie właściwości kwasu stearynowego .................................. 300 33.9.17. Badanie właściwości fizycznych metanolu i etanolu...................... 301 33.9.18. Otrzymywanie etanolanu sodu ..................................................... 302 33.9.19. Wykrywanie etanolu w reakcji z dichromianem(VI) potasu ........ 302 33.9.20. Badanie właściwości glicerolu ..................................................... 303 33.9.21. Otrzymywanie octanu etylu.......................................................... 304 33.9.22. Utlenianie kwasu benzoesowego do kwasu salicylowego............ 305 33.9.23. Badanie właściwości kwasu salicylowego ................................... 306 33.9.24. Ekstrakcja tłuszczów z materiału biologicznego .......................... 307 33.9.25. Wykrywanie tłuszczów za pomocą kamfory ................................ 308 33.10. Dział 10. Wielofunkcyjne pochodne węglowodorów .................. 309 33.10.1. Badanie właściwości fizycznych glukozy i fruktozy.................... 311 33.10.2. Reakcja glukozy i fruktozy z wodą bromową w obecności wodorowęglanu sodu.................................................... 311 33.10.3. Reakcja glukozy i fruktozy z wodorotlenkiem miedzi(II)............ 312 33.10.4. Reakcja glukozy i fruktozy z odczynnikiem Tollensa.................. 313 33.10.5. Odróżnianie glukozy od fruktozy ................................................. 314 33.10.6. Czy sacharoza wykazuje właściwości redukujące ? ..................... 315 33.10.7. Hydroliza sacharozy i badanie produktów hydrolizy .................. 315 33.10.8. Hydroliza skrobi i badanie produktów hydrolizy ......................... 316 33.10.9. Reakcja charakterystyczna skrobi................................................. 317 33.10.10. Badanie właściwości fizycznych celulozy.................................. 317 33.10.11. Hydroliza celulozy i badanie produktów hydrolizy.................... 318.

(20) 33.10.12. Spalanie cukru w obecności katalizatora.................................... 319 33.10.13. Badanie właściwości fizycznych i chemicznych glicyny........... 320 33.10.14. Wykrywanie białek za pomocą reakcji biuretowej..................... 321 33.10.15. Denaturacja białek pod wpływem czynników fizycznych i chemicznych ............................................................................ 322 34. Bibliografia ......................................................................................... 323 35. Karta zaliczenia ćwiczeń.................................................................... 326.

(21) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii Współczesne tendencje w nauczaniu przyrodoznawstwa zmierzają do takiego kierowania postępowaniem uczących się, aby proces kształcenia maksymalnie zbliżyć do pracy badawczej. Cenną metodą nauczania jest kształcenie w systemie problemowym, w toku którego uczeń przestaje być biernym przedmiotem zabiegów dydaktycznych nauczyciela, a staje się rzeczywistym współtwórcą procesu dydaktycznego. Nowe podejście do czynności uczniów i roli nauczyciela w procesie edukacyjnym pociąga za sobą konieczność nie tylko zmian w strukturze przedmiotu nauczania, zastosowania ściśle określonych metod postępowania, ale również szerszego i bardziej precyzyjnego spojrzenia na cele kształcenia i środki dydaktyczne stosowane w tym procesie. Efektywność uczenia się zależy od możliwości tworzenia struktur poznawczych i umiejętności przezwyciężania szeregu towarzyszących im problemów. Wytwarzanie struktur poznawczych dokonuje się przez heurystyczne czynności zorganizowane na wzór badań naukowych, skrótowo nazywane czynnościami badawczymi. W każdym rodzaju badań naukowych rozwiązuje się określone rodzaje problemów, przy czym droga do rozwiązania tych problemów wiedzie przez szereg uporządkowanych czynności, nazywanych w tym przypadku metodą naukową. Istotnym zadaniem więc jest przeniesienie metody naukowej na grunt nauczania chemii. Pojawia się tym samym zagadnienie nauczania problemowego. Idzie o taki proces, w czasie którego uczący się pod wpływem aktywności wywołanej treścią zadania dostrzega określony problem, a następnie w rezultacie świadomego wysiłku umysłowego formułuje go i samodzielnie rozwiązuje, w drodze samodzielnych prób poszukiwawczych. 1.1. Rola eksperymentów na lekcjach chemii Uczeń w procesie dydaktyczno-wychowawczym na lekcjach przedmiotów przyrodniczych ma odkrywać i badać, ma być więc "badaczem", niezależnie od tego, jaki będzie w przyszłości wykonywał zawód. Rzecz. 1.

(22) 2. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. bowiem w tym, że w sytuacjach upodobnienia procesu dydaktycznowychowawczego do procesu badawczego tkwią ogromne wartości poznawcze. Aby pedagogiczna idea kształtowania postawy badawczej ucznia w procesie nauczania i uczenia się chemii mogła być realizowana w praktyce szkolnej, musi być do tego przede wszystkim przygotowany nauczyciel. Kształtowanie u uczniów postawy badawczej w procesie edukacyjnym ściśle wiąże się z działalnością laboratoryjną nauczyciela i uczniów, jako że chemia jest przecież nauką doświadczalną. W procesie nauczania i uczenia się chemii ważnym zagadnieniem jest racjonalne stosowanie środków dydaktycznych. Za pomocą środków dydaktycznych można ilustrować abstrakcyjne pojęcia, prawa i teorie chemiczne, a także pokazywać przedmioty i obiekty trudne lub niemożliwe do bezpośredniego postrzegania. Środki dydaktyczne w dużym stopniu pozwalają na rozwijanie twórczego działania uczniów oraz aktywizują ich w procesie nauczania. W nauczaniu chemii stosuje się różne rodzaje środków dydaktycznych, począwszy od kolekcji przedmiotów naturalnych, modeli, plansz i foliogramów, a skończywszy na przezroczach, filmach, audycjach radiowych, programach telewizyjnych oraz multimedialnych programach komputerowych. Szkoły wyposażone są w różnorodne urządzenia techniczne jak: diaskopy, grafoskopy, magnetowidy i komputery, które pozwalają uatrakcyjnić proces dydaktyczny. Jak wiadomo, żaden środek dydaktyczny nie ma wartości samej w sobie, lecz staje się efektywną pomocą dopiero wtedy, gdy jest w właściwy sposób zastosowany i użytkowany przez nauczyciela. Dobry nauczyciel chemii nie tylko przekazuje uczniom informacje werbalnie, lecz rozwija także ich umiejętności intelektualne i praktyczne, oraz aktywizuje uczniów zwiększając ich zainteresowania. Właśnie w osiągnięciu tych wszystkich celów nieodzowne są środki dydaktyczne. W procesie kształcenia chemicznego uczniowie odbierają informacje głównie przez receptory wzroku i słuchu; duże znaczenie mają też inne zmysły: dotyk, smak, węch. Istotne są także receptory kontrolujące koordynację ruchów motorycznych, głównie w kształceniu umiejętności praktycznych. Dlatego też obok środków wizualnych i dźwiękowych, podstawowe znaczenie w nauczaniu chemii ma racjonalne stosowanie środków dydaktycznych.

(23) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Rys. 1. Studenci wykonujący reakcję magnezu z tlenem będącą przykładem reakcji syntezy, spalania oraz utleniania - redukcji. 3.

(24) 4. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. typu laboratoryjnego: aparatury, sprzętu, materiałów i odczynników chemicznych. Istotne znaczenie w chemii ma racjonalnie zorganizowana i wyposażona pracownia chemiczna, albowiem w nauczaniu tym eksperyment chemiczny zajmuje centralne miejsce i to niezależnie od tego, czy zaprojektowano w danym momencie procesu edukacyjnego doświadczenia uczniowskie czy też pokazy nauczycielskie. Doświadczenia chemiczne muszą być starannie przygotowane zarówno pod kątem doboru odpowiedniej aparatury jak i jasno sprecyzowanego celu jaki ma być osiągnięty za jego pośrednictwem. Ważną rzeczą jest, aby instrukcja przedstawiająca sposób wykonania doświadczenia, jasno opisywała poszczególne czynności jakie należy wykonać, aby eksperyment przeprowadzić z pozytywnym skutkiem. Najlepiej jest, gdy eksperyment laboratoryjny stawia uczniów w odpowiedniej sytuacji problemowej. Podczas pokazu eksperymentu chemicznego przez nauczyciela istnieje brak samodzielnego i bezpośredniego uczestnictwa ucznia w procesie badawczym. Dlatego dąży się do zwracania większej uwagi na czynniki, które aktywnie oddziaływują na uczniów. W procesie dydaktycz-. Rys. 2. Lekcja chemii z wykorzystaniem animacji komputerowych dla interpretacji określonych zjawisk.

(25) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. nym stwarza się więc takie warunki, aby podczas pokazu nauczycielskiego uwagę uczniów koncentrować na tej części aparatury, która ma decydujący wpływ na przebieg reakcji chemicznej, która ma rozwiązać pewien problem, a także ma stworzyć sytuację problemową i potwierdzić lub obalić, w dalszym etapie badań, wysuniętą wcześniej hipotezę. W doświadczeniach uczniowskich duży wpływ na sposób wykonania doświadczenia i uzyskanie poprawnego wyniku ma wykaz poszczególnych czynności jakie należy wykonać, aby osiągnąć założony cel. Dlatego ważne jest, w jaki sposób przedstawia się uczniom listę niezbędnych poleceń do zrealizowania w ramach wykonywanego eksperymentu. Taką listę stanowi instrukcja doświadczenia chemicznego opisująca sposób jego wykonania, a także zawierająca informacje dotyczące odczynników i sprzętu laboratoryjnego i innych materiałów niezbędnych do jego przeprowadzenia.. Rys. 3. a, b - Miejsca ćwiczeń uczniowskich: a - w klasie; b - w pracowni chemicznej. 5.

(26) 6. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. BARWY WYBRANYCH ZWIĄZKÓW CHROMU I MANGANU ORAZ WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE WODOROTLENKU CHROMU (III). Odczynniki:. Sprzęt:. chlorek chromu(III),. probówki,. chromian(VI) potasu,. pipety. dichromian(VI) potasu, chlorek manganu(II), manganian(VII) potasu 1m roztwór wodorotlenku sodu, 1m roztwór kwasu solnego, 1 roztwór wodorotlenku amonu 0,1m roztwór soli chromu(III) np chlorek chromu(III) Do 5 probówek wlewamy po około 5 cm3 rozcieńczonych roztworów soli zawierających jony Cr3+, CrO42-, Cr2O72-, Mn2+ i MnO4-. Można zauważyć, że roztwór zawierający jony Cr3+ ma barwę zieloną, CrO42- żółtą, Cr2O72- barwę pomarańczową, Mn2+ barwę blado-różową, a roztwór zawierający jony MnO4- barwę ciemnofioletową. Z kolei do dwóch następnych probówek dodajemy po 3 cm3 0,1 m roztworu chlorku chromu(III) i 3 cm3 roztworu wody amoniakalnej. Obserwujemy powstawanie osadu. Następnie do jednej z tych probówek dodajemy jeszcze 5 cm3 1m roztworu wodorotlenku sodu, a do drugiej 5 cm3 1m roztworu kwasu solnego. Obserwujemy zachodzące zmiany. Napisz równania reakcji wiedząc, że w probówce z dodatkiem NaOH powstaje związek zawierający anion Cr(OH)4-. 1. .............................................................................. 2. .............................................................................. Spostrzeżenia:........................................................................................................... Wnioski:..................................................................................................................... Przykładowa instrukcja doświadczenia chemicznego.

(27) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. REAKCJA MANGANIANU(VII) POTASU Z KWASEM SOLNYM, AZOTANEM(III) POTASU, SIARCZANEM(VI) ŻELAZA(II).. Odczynniki:. Sprzęt:. 1m roztwór KNO2, stężony HCl,. probówki. 1m roztwór FeSO4,. pipety. rozcieńczony roztwór H2SO4, rozcieńczony roztwór NaOH, 0,1m roztwór KMnO4. W trzech probówkach znajdują się: w jednej kwas solny, w innej roztwór siarczanu(VI) żelaza(II), a w kolejnej roztwór azotanu(III) potasu. Wykorzystując zaproponowane odczynniki dokonaj identzfikacji, w której probówce znajduje się stężony kwas solny, w której azotan(III) potasu, a w której siarczan(VI) żelaza(II). Jakie zachodzą zmiany podczas wykonywania poszczególnych prób ?. Spostrzeżenia: ..................................................................................................................................... Wnioski: ..................................................................................................................................... Napisz równania wszystkich reakcji podając bilans elektronowy: 1. .................................................................................................................. 2. .................................................................................................................. 3. .................................................................................................................. 4. ................................................................................................................... Przykładowa instrukcja doświadczenia chemicznego w wersji problemowej.. 7.

(28) 8. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 1.2. Rodzaje doświadczeń chemicznych i ich funkcje dydaktyczne W procesie edukacyjnym chemii, nastawionym na odkrywcze działania ucznia, wyróżnia się cztery rodzaje laboratoryjnych doświadczeń chemicznych: A— B— C— D—. obserwacja naukowa obserwacja z pomiarem eksperyment chemiczny eksperyment chemiczny z pomiarem. Obserwacja naukowa — jest najbardziej elementarnym rodzajem doświadczenia, prowadząc tylko do stwierdzeń naukowych na poziomie opisu i klasyfikacji. Obserwacja to zamierzone, planowe spostrzeganie prowadzone w konkretnym celu. Obserwator, stosując proste lub złożone techniki badania zjawisk bez zmiany ich przebiegu, gromadzi fakty w sposób narzucony przez naturę. Aby obserwacja mogła nosić miano naukowej, powinna być powtarzalna i niezależna od osoby badającej. Podobne wymagania odnoszą się do obserwacji prowadzonej przez uczniów na lekcjach chemii. Obserwacje zapewniają uczniom poznanie podstawowych właściwości substancji jak: stan skupienia, barwa, zapach, twardość itd., a więc tych wiadomości, które mają uczniowie zdobyć w ramach opisu i klasyfikacji substancji, zjawisk i procesów. Uczeń w stosunkowo krótkim czasie dostrzega istotne cechy obserwowanego obiektu. Obserwacja z pomiarem —jest formą doświadczeń chemicznych, dających pełniejsze i bardziej wiarygodne wyniki. Obserwacja z pomiarem polega na przyporządkowaniu danej wielkości pewnej liczby zwanej wartością tej wielkości. Porównania wartości mierzonej z wielkością (uznaną na mocy konwencji za jednostkę) dokonuje się za pomocą sprzętu pomiarowego. Zapis obserwacji pomiaru w tabeli lub graficznie, za pomocą wykresu, daje duże możliwości uogólnienia wyników pomiaru. W nauczaniu chemii, obserwacje z pomiarem tradycyjnie nazywa się doświadczeniami ilościowymi. Przez określenie to należy rozumieć wszelkie doświadczenia chemiczne, w których dokonuje się pomiaru ; w szkole na.

(29) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. przykład masy i objętości. Tego rodzaju doświadczenia służą do tworzenia praw chemicznych, pojęć, wyznaczania wzorów związków chemicznych, oznaczania zawartości poszczególnych pierwiastków w różnych substancjach.. Rys. 4, 5. Uczniowie na lekcji chemii podczas obserwacji minerałów. Eksperyment chemiczny — jest kolejną formą metody naukowego badania rzeczywistości, polegającą na wywołaniu lub zmianie przebiegu procesów poprzez dodanie do nich pewnego nowego czynnika i obserwowaniu zmian powstałych pod jego wpływem. Ten nowy, w sposób zamierzony wprowadzony do procesu czynnik, nazywa się zmienną niezależną, obserwowane zaś zmiany powstałe pod jego wpływem, noszą miano zmiennych zależnych. Eksperyment określa się jako obserwację czynną, prowadzącą do wykrycia prawidłowości, ponieważ nieodzowna jest tu ingerencja badacza w rzeczywistość. Ingerencja ta polega na izolowaniu i kontroli działających czynników. Cechą charakterystyczną eksperymentowania jest aktywny stosunek ucznia do badanych zjawisk. Uczeń stwarza warunki, w których występuje pożądane zjawisko, eliminuje wpływ jednych czynników, dopuszczając oddziaływanie innych. W eksperymencie laboratoryjnym, dzięki postępowaniu zgodnemu z millowskim kanonem jednej różnicy, istnieją proste możliwości izolowania zmiennej niezależnej, i tym samym łatwego obserwowania skutków jej działania. Jeżeli np. ogrzewamy w probówce wodorotlenek miedzi(II) w środowisku zasadowym w obecności glukozy, to aby wykluczyć hipote-. 9.

(30) 10. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Rys. 6. Eksperyment jako czynnik weryfikujący hipotezę badawczą. zę, iż zauważone w doświadczeniu zmiany powstają pod wpływem ogrzewania, wykonuje się równolegle drugie doświadczenie kontrolne, różniące się od pierwszego jedynie brakiem glukozy w środowisku reakcji. Analizując podane wcześniej cechy eksperymentu naukowego, doświadczenie chemiczne wykonane przez nauczyciela lub ucznia można nazwać eksperymentem szkolnym, jeżeli można wyodrębnić w nim następujące czynniki:. −. przyjęcie czynnika eksperymentalnego (zmiennej niezależnej) i założenie przypuszczalnego kierunku zmian powodowanego przez ten czynnik,. −. badanie działania tego czynnika (proces sprawdzania słuszności przypuszczeń przez wywoływanie lub zmianę biegu zjawisk),. −. obserwowanie i notowanie zmian zmiennych zależnych.. Eksperyment z pomiarem — różni się od eksperymentu wyżej opisanego tym, iż decydującą rolę odgrywa w nim wynik pomiaru służącego poznaniu nowej wiedzy lub zweryfikowaniu ustalonej hipotezy roboczej. Dlatego pomiar, w eksperymencie z pomiarem, należy wykonywać z odpowiednią dokładnością..

(31) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 11. Opierając się na analizie czynności poznawczych uczniów, wyszczególnia się:. − −. eksperyment ilustracyjny, eksperyment badawczy.. Eksperyment badawczy — istnieje w dwóch odmianach, jako:. − −. eksperyment wprowadzający, eksperyment problemowy.. Eksperyment problemowy może mieć charakter eksperymentu problemowo-odkrywającego i problemowo-weryfikującego. Eksperyment ilustracyjny — charakteryzuje się tym, iż wykorzystanie doświadczenia uczniowskiego lub pokazu w tej formie polega na ilustrowaniu wiadomości przekazywanych przez nauczyciela lub podręcznik. Czynności ucznia sprowadzają się jedynie do słuchania i przyswajania gotowych treści. Obserwacja jest w tym przypadku jedynie ułatwieniem przyswajania treści. Nie ma wymogu samodzielnego opracowania wyników doświadczenia przez ucznia, ani wyprowadzania wniosków. Eksperyment badawczy wprowadzający — stanowi źródło informacji dla ucznia i punkt wyjścia do rozumowania wyjaśniającego na drodze indukcyjnej. Eksperyment tego rodzaju powinien mieć zastosowanie w nauczaniu treści dotychczas nieznanych, co do których uczniowie nie mają wystarczających przesłanek pozwalających na formułowanie hipotez. Celem tak wykorzystanego eksperymentu jest doprowadzenie uczniów do badań odkrywczych, w których najistotniejsze jest samodzielne dochodzenie do określonych prawd. Uczniowie wywołują określone zjawiska po to, aby zaobserwować zmiany zachodzące pod wpływem pewnego czynnika, i w ten sposób dojść do wykrycia związków i zależności przyczynowo-skutkowych między zjawiskami. Eksperyment problemowy — jest nieodzownym składnikiem metod laboratoryjno-problemowych. Rozwiązanie każdego problemu szczegółowego odbywa się na drodze indukcyjnej (od konkretu do abstrakcji), lub na drodze dedukcyjnej (od abstrakcji do konkretu). W zależności od drogi rozwiązywania problemu wyodrębnia się:. −. eksperyment problemowo-odkrywający,.

(32) 12. −. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. eksperyment problemowo-weryfikujący.. W metodzie problemowej o toku indukcyjnym, eksperyment odkrywający jest wykorzystywany jako źródło wiadomości. Do czynności nauczyciela należy zorganizowanie sytuacji problemowej oraz pomoc w ustaleniu sposobu wykonania doświadczenia. Zadaniem uczniów jest sprecyzowanie sposobu badania i jego przeprowadzenie oraz obserwacja i opracowanie wyników. Eksperyment weryfikujący — stosowany w procesie problemowym nauczania o toku dedukcyjnym. Jest sposobem empirycznego weryfikowania hipotez. Wymaga od ucznia odpowiedniego zasobu wiedzy teoretycznej i poziomu intelektualnego. Czynności uczniów związane z tą metodą polegają na:. − − − − − −. uświadomieniu sobie problemu, zaproponowaniu hipotez, zaproponowaniu empirycznego ich zweryfikowania, przeprowadzeniu doświadczenia, porównaniu zgodności przewidywań z uzyskanymi wynikami, teoretycznym opracowaniu zagadnienia.. Przedstawiona liczba i rodzaj czynności badawczych uczniów wskazuje na fakt, iż eksperyment weryfikujący ma duże walory kształcące. W zależności od tego, kto wykonuje na lekcji dany eksperyment i w jakim stopniu jest zaangażowany w jego realizacji, dzieli się je na:. − −. eksperymenty uczniowskie, pokazy nauczycielskie.. W stosowaniu metody praktycznej wykorzystuje się na lekcjach chemii, opisane niżej, różne odmiany doświadczeń uczniowskich. Eksperymenty uczniowskie równym frontem - polegają na jednoczesnym wykonywaniu przez poszczególnych uczniów, lub grupy uczniów tworzących odrębne zespoły, jednakowych doświadczeń pod kierunkiem nauczyciela. Aby możliwe było realizowanie tej odmiany doświadczeń uczniow-.

(33) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 13. Rys. 7. Podział laboratoryjnych doświadczeń chemicznych. skich, wymagane jest wyposażenie stołów laboratoryjnych w odpowiednio przygotowane zestawy odczynników chemicznych i sprzętu laboratoryjnego. Wykonywanie doświadczeń "równym frontem" oparte jest na instrukcji słow-. Rys. 8. - Uczniowie wykonujący doświadczenia „równym frontem”.

(34) 14. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. nej nauczyciela lub ucznia, pisemnej lub graficznej. W instrukcji podaje się opis przyrządów, kolejność czynności, ukierunkowuje się obserwacje oraz zwraca uwagę na bezpieczeństwo pracy. Propozycja wykonania doświadczenia może być dziełem nauczyciela, lecz także - co jest cenniejsze - dziełem ucznia. Projektodawcą doświadczenia uczniowskiego może być także podręcznik szkolny, film dydaktyczny czy program komputerowy, lub specjalnie opracowane instrukcje pisemne. W każdym jednak przypadku, opis doświadczenia, jego wynik i wnioski powinny być samodzielnym dziełem ucznia. Inną odmianą doświadczeń uczniowskich są "doświadczenia zespołowoproblemowe" (weryfikacyjne). Doświadczenia te mają na celu weryfikację hipotezy, postawionej uprzednio, w oparciu o posiadany zasób wiadomości. Istota tych doświadczeń polega na tym, iż uczniowie wykonują podobne tematycznie doświadczenia, stosując jednak różne substraty, a czasem także odmienną aparaturę. Wyróżnia się także doświadczenia wiązane. W wariancie tym uczniowie wykonując doświadczenie otrzymują produkt, który jest substratem wykorzystanym do przeprowadzenia następnego doświadczenia, zaś produkt tego drugiego eksperymentu jest substratem wykorzystywanym w kolejnym doświadczeniu, itd. Doświadczenia wiązane pozwalają na wszechstronne badanie substancji, a tym samym na gromadzenie wielu wniosków doświadczalnych, co prowadzi do dogłębnego zrozumienia podstawowych praw i przemian chemicznych oraz fizycznych, a także właściwości substancji..

(35) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 15. 1.3. Charakterystyka zabiegów dydaktycznych prowadzących do rozwiązywania zadań problemowych za pomocą eksperymentu W rozwiązywaniu zadań problemowych za pomocą eksperymentu istotną rzeczą są funkcje, jakie mogą te eksperymenty pełnić. Eksperyment może przecież zajmować różne miejsca w procesie poznawczym, a więc różne są także jego funkcje w tym procesie. 1.3.1. Funkcje eksperymentu w procesie rozwiązywania zadań problemowych Funkcja motywacyjna eksperymentu Podczas rozwiązywania problemu, w określonej fazie procesu poznawczego, często stosuje się eksperyment. Przez analizę wyników eksperymentalnych dochodzi się do nowej, często nieoczekiwanej wiedzy, do nowego opisu zjawisk. W wyniku analizy sytuacji problemowej odkryta zostaje pewna sprzeczność, która zawiera w sobie istotę problemu. Dochodzi się więc do sformułowania problemu, często w formie pytania. W tej fazie zazwyczaj stosuje się środki heurystyczne. Następnie formułuje się hipotezę i poszukuje optymalną drogę jej weryfikacji. Funkcja odkrywcza eksperymentu Często formułowane jest zadanie, którego rozwiązanie polega na ustaleniu właściwości określonej substancji. Eksperymentalne badania danej substancji mogą przebiegać na różnych poziomach, w zależności od zastosowanych technik eksperymentalnych, np. badań spektralnych, elektrochemicznych, polarograficznych itp. Przy poznawaniu właściwości substancji, eksperyment jest pierwszym, głównym krokiem procesu poznawczego. W kolejnym etapie następuje zbieranie danych eksperymentalnych i ich klasyfikacja, która jest wynikiem przeprowadzonych przez eksperymentatora doświadczeń. W dalszym etapie analizuje się dane i prowadzi pierwsze próby uogólnienia, zmierzające do określenia właściwości badanej substancji. Następnym krokiem jest eksperymentalne sprawdzenie słuszności wyprowadzonych uogólnień..

(36) 16. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Funkcja sprawdzająca eksperymentu Poprzez analizę logiczną formułowane są zazwyczaj hipotezy teoretyczne. Można, np. na podstawie interpretacji modelu matematycznego, symulować reaktywność badanej substancji organicznej. Następnie sprawdza się w praktyce wiedzę zdobytą drogą dedukcji, zgodnie z jedną z teorii poznania: "od żywego oglądu do teorii - i stąd do praktyki". Eksperyment ma w tym przypadku funkcję sprawdzającą. Jest on następstwem hipotezy wy-. Rys. 9. Pracownia mikronauczania, w której kształci się umiejętność prowadzenia lekcji z zastosowaniem różnych metod. suniętej w wyniku symulacji, przeprowadzonej za pomocą modelu (ogólnie: hipotezy teoretycznej)..

(37) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 17. 1.4. Schemat eksperymentalnego rozwiązywania zadań problemowych Kolejność etapów, a więc czynności wykonywanych w czasie eksperymentalnego rozwiązywania zadań problemowych wynika z funkcji i miejsca eksperymentu w danym zadaniu. Kolejność ta przedstawia się następująco: 1. Sformułowanie zadania. 2. Analiza zadania połączona z poszukiwaniem głównej sprzeczności charakteryzującej sytuację problemową. 3. Sformułowanie problemu. 4. Analiza problemu, jego transformacja na pytanie lub system pytań. 5. Dalsza, pogłębiona analiza częściowych pytań i problemów, mająca na celu sformułowanie hipotez cząstkowych, stanowiących części składowe głównej hipotezy. 6. Przygotowanie planu sprawdzenia hipotez, to jest planowanie i przygotowanie eksperymentów, jako instrumentów sprawdzania hipotez cząstkowych i hipotezy głównej (weryfikacja). 7. Realizacja eksperymentów. 8. Interpretowanie danych eksperymentalnych czyli ustalanie wyników jakościowych i ilościowych, ich zestawienie, analizowanie i klasyfikowanie. 9. Poszukiwanie zależności przyczynowych między jakościowymi i ilościowymi efektami i wynikami. 10. Porównanie wyników otrzymanych w procesie analiz i syntez z przesłankami hipotetycznymi. W przypadku przyjęcia hipotezy następuje dalszy etap, natomiast w przypadku jej odrzucenia niezbędne jest cofnięcie się do etapów 4 i 5 i powtórzenie dalszego postępowania. 11. Dokonanie możliwych uogólnień wyników eksperymentalnych przez wykonanie takich operacji jak: analiza, porównanie, synteza, generalizacja. W nauczaniu chemii zadania problemowe często rozwiązywane są bezpośrednio za pomocą eksperymentu. Eksperyment podporządkowany zostaje wtedy teoretycznemu procesowi poznania - jest sterowany przez.

(38) 18. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. teorię. W tym przypadku, z dydaktycznego punktu widzenia, eksperyment można umiejscowić w następującym, uproszczonym układzie czynności: 1. Sformułowanie celu eksperymentu. 2. Przygotowanie i planowanie eksperymentu. 3. Przeprowadzenie eksperymentu. 4. Opracowanie wyników eksperymentu, to jest sformułowanie wyników obserwacji i wyników pomiaru, ich uogólnienie i konfrontacja ze stanem wyjściowym. Powyższy schemat eksperymentalnego rozwiązywania zadań problemowych pokrywa się z ogólną strukturą eksperymentu szkolnego, w którym czynności empiryczne i teoretyczne występują równocześnie. 1.4.1. Eksperyment i metoda eksperymentalna w rozwiązywaniu problemów Eksperyment zastosowany podczas rozwiązywania problemu wymagającego odkrywania, stanowi podstawę obserwacji, na podstawie której można ustalić dany stan rzeczy lub dane zjawisko w sposób bezpośredni. Inną funkcję mają eksperymenty zastosowane w ramach rozwiązywania problemów wymagających wyjaśnienia względnie przewidywania. Stanowią one część metody eksperymentalnej. Eksperymentalna metoda badawcza jest metodą poznawczą, służącą eksperymentalnemu sprawdzaniu następstw, wynikających z hipotez. Zasadność hipotez powinna być gruntownie sprawdzona. W zakresie wiedzy chemicznej, wyodrębnionej jako kategorie: a) struktura substancji, b) właściwości substancji, c) zastosowanie substancji, możliwe jest wnioskowanie. W nauczaniu chemii stosuje się, oprócz metody eksperymentalnej, również metody modelowania i metodę obserwacyjną. Przy rozwiązywaniu problemów metodą eksperymentalną wyróżnia się kolejne etapy:.

(39) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 19. Rys 10. Rodzaje wnioskowania przy omawianiu struktury, właściwości i zastosowania substancji. Rys. 11. Korelacja między wyjaśnianiem, przewidywaniem oraz wnioskowaniem.

(40) 20. 1.. 2. 3. 4.. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Z hipotez (z hipotetycznego wyjaśnienia lub przewidywania) wyprowadza się następstwa, możliwe do eksperymentalnego sprawdzenia. Orientacyjne pytanie brzmi: Jeżeli tak jest ... to powinno... Przeprowadzenie zaplanowanych eksperymentów. Konfrontacja wyników eksperymentu z przewidywanym następstwem, to znaczy ich weryfikacja lub falsyfikacja. Wynikiem eksperymentalnego rozwiązania problemu, wymagającego wyjaśnienia lub przewidywania, jest: — dowód, — potwierdzenie, — wzmocnienie, — negacja.. Rysunek nr 12, obrazuje sposób postępowania przy eksperymentalnym rozwiązywaniu problemów wymagających wyjaśnienia i przewidywania. 1.4.2. Jak upodobnić proces dydaktyczny w chemii do badania naukowego ? Celem nauczania chemii jest przede wszystkim rozwój intelektualny ucznia. Rozwój ten osiągany jest poprzez wyznaczone programem nauczania cele dydaktyczno-wychowawcze. W praktyce szkolnej pełna realizacja tych celów jest możliwa wtedy, gdy proces dydaktyczny chemii wiązany jest z zasadą dydaktycznie uzasadnionego upodobnienia procesu nauczania chemii do badania naukowego. Z zasady tej wynika, iż uczeń powinien odkrywać nowe dla siebie fakty, zjawiska czy prawa, wyjaśniać je, a naśladując w ten sposób badacza, będąc w kontakcie z przyrodą, uczyć się metod pracy badawczej. Wychodząc z założenia, że badawcza postawa uczniów jest pochodną procesu nauczania upodobnionego do badania naukowego, należy przyjąć założenie, iż samo upodobnienie staje się problemem dydaktycznym, który należy rozwiązać w pierwszej kolejności. Wybrane przez nauczyciela, z programu nauczania, treści nauczania chemii poznawane są przez uczniów w bezpośrednim działaniu. Do tych treści należą:.

(41) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Rys. 12. Schemat postępowania podczas eksperymentalnego rozwiązywania problemów wymagających wyjaśniania i przewidywania. 21.

(42) 22. − − −. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. wiedza dotycząca faktów chemicznych, wiedza dotycząca praw empirycznych, wiedza wyjaśniająca fakty chemiczne.. W opisanym modelu zasadniczego znaczenia nabiera działalność laboratoryjno-doświadczalna nauczyciela i uczniów, która podporządkowana zostaje bezpośredniemu poznaniu. W procesie nauczania metodą badania naukowego uczeń musi cechować się pewnym zakresem umiejętności laboratoryjno-doświadczalnych, związanych z potrzebą projektowania doświadczeń. Efektywność tego nauczania zależna jest na każdym etapie upodabniania od właściwego dla danego etapu stopnia samodzielności uczniów w myśleniu i działaniu badawczym. Uczenie tym sposobem polega również na zapoznawaniu uczniów z wiadomościami o spostrzeganiu, wydawaniu sądów spostrzeżeniowych, istocie wnioskowania indukcyjnego i drodze naukowej. Można wtedy łatwiej wykazać, iż do teorii naukowej nie zawsze prowadzi "gładki trakt" precyzyjnych wnioskowań. W twórczym procesie badawczym występuje często olśnienie, intuicja, przypadek, lecz są one udziałem tylko tego twórcy, który systematycznie zajmuje się badaniem przyrody. Efektywne tworzenie i kształtowanie umiejętności laboratoryjno - doświadczalnych uczniów odbywa się na podstawie specjalnie do tego celu przystosowanych instrukcji laboratoryjnych doświadczeń chemicznych. Za pomocą zbioru takich instrukcji, w sposób systematyczny i we właściwym momencie, zapoznaje się uczniów ze sprzętem laboratoryjnym i odczynnikami. Poprzez celowe manipulowanie tekstami kolejnych instrukcji, steruje się procesem tworzenia i rozwijania umiejętności projektowania doświadczeń przez uczniów. Program kształtowania laboratoryjnych i doświadczalnych umiejętności uczniów zakodowany jest w treściach poszczególnych instrukcji doświadczeń chemicznych, a sam proces kształtowania tych umiejętności, planowy i systematyczny, realizowany jest podczas przebiegającego procesu nauczania chemii..

(43) 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. 23. 1.4.3. Lekcje chemii w systemie problemowym Największe możliwości zaangażowania się uczniów, przy ich pełnej aktywności poznawczej, w samodzielne czynności badawcze, tkwią w doświadczeniach laboratoryjnych i lekcjach typu eksperymentalnego. Ponieważ w nauczaniu chemii należy stosować doświadczenia chemiczne, trzeba więc przyjąć metodę postępowania taką, aby doświadczenia były wykorzystane wszechstronnie, aby podczas ich wykonywania uczniowie jak najwięcej wnieśli dla swego intelektu, emocjonalnego, a nawet fizycznego rozwoju, kształcąc przede wszystkim sferę umiejętności. 1.4.4. Czego oczekujemy od doświadczenia laboratoryjnego? Jakie warunki powinien spełniać eksperyment, aby stał się zadaniem badawczym? Z podanych wcześniej uwag na temat doświadczeń laboratoryjnych można wysnuć pewne postulaty, które w rozwinięciu przedstawiają się następująco: 1. Doświadczenia laboratoryjne nie mogą stanowić struktury oderwanej, mieszczącej się poza zasadniczym procesem poznawczym, lecz powinny być elementem składowym strukturalnie ujmowanych czynności badawczych. 2. Poza sprawnością manualną doświadczenia laboratoryjne powinny kształcić sprawność intelektualną, wiążąc harmonijnie przygotowanie teoretyczne z praktycznym, pracę intelektu z pracą rąk. 3. Doświadczenia laboratoryjne powinny scalać doznania uczniów pochodzących z bezpośrednich kontaktów z przyrodą z szeroko pojętą wiedzą teoretyczną - modelami teoretycznymi. 4. Doświadczenia powinny dostarczać jak najwięcej przeżyć spostrzeżeniowych, kształtować twórcze postawy uczniów wobec nauki, przyrody i wobec naturalnego środowiska człowieka, a więc powinny służyć ich wychowaniu..

(44) 24. 1. Eksperymenty w nauczaniu chemii. Rys. 13. Uczniowie rozwiązujący problem chemiczny w drodze działań eksperymentalnych.